陳東，蘇蕾，劉愛國

（1.天津市大橋道食品有限公司，天津300350；2.天津市食品生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院，天津300134）

冰晶體對于冰淇淋的組織結(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵性的作用。冰晶體大意味著冰淇淋質(zhì)構(gòu)粗糙，其小意味著質(zhì)構(gòu)細(xì)膩。最原始的冷凍飲品為冰棒，其制作方法很簡單。這種冰棒口感較硬，冰碴感較強(qiáng)，在微觀層面上，所顯示出的則是一整個(gè)冰面。隨著人們不僅僅滿足于解暑止渴，便開始添加蔗糖、飴糖，作為其中的原料，增加其口感。添加蔗糖、飴糖后，冰的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，整個(gè)冰面變成一個(gè)個(gè)的小冰晶（見圖1、圖2），這種冰晶狀態(tài)在口感上體現(xiàn)為有沙粒感、較為酥軟，易融化。隨著生活水平的提高，消費(fèi)者對冷凍飲品又有新的要求。不僅要有口感，也要有一定的營養(yǎng)價(jià)值?；诖顺霭l(fā)點(diǎn)，生產(chǎn)中開始添加葡萄糖。添加葡萄糖后，冰晶體的微觀結(jié)構(gòu)又有所不同（見圖3）。添加葡萄糖的冷凍飲品冰晶體較蔗糖的大，且冰晶體的間隙較大，感官上則是冰碴感更強(qiáng)?；诳诟信c營養(yǎng)的需求，現(xiàn)市面上已開始采用功能性糖醇來提高口感和營養(yǎng)價(jià)值。無論是在微觀還是宏觀層面上，都能很好地滿足消費(fèi)者的需求。以麥芽糖醇為例，在微觀方面，麥芽糖醇冰晶體小、間隙??；宏觀方面，口感細(xì)膩，無明顯的冰晶感（見圖4）。

圖1 13%蔗糖形成的冰晶體（1 000倍）Fig.1 13%Sucrose-formed ice crystals（1 000x）

圖2 15%飴糖形成的冰晶體（1 000倍）Fig.2 15%Ice crystals formed by caramel（1 000x）

圖3 13%葡萄糖形成的冰晶體（1 000倍）Fig.3 13%Glucose-formed ice crystals（1 000x）

圖4 13%晶體麥芽糖醇形成的冰晶體（1 000倍）Fig.4 13%Crystalline maltitol formed ice crystals（1 000x）

一般來講，沒有冰晶感的冷凍飲品的品質(zhì)是較好的。這種感覺來源于制品中的冰晶體，溫度的波動(dòng)對于冰晶體的生長也有著一定的影響[1]。在溫度波動(dòng)的情況下，冰晶體也會相應(yīng)變化，最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。不同的冰晶狀態(tài)來源于不同的糖或糖醇。一些功能性糖醇逐漸走上市場，并受大家的青睞。像低聚果糖、L-阿拉伯糖、山梨醇、聚葡萄糖等，這些糖醇與蔗糖不同，具有一定的生理特性，能夠預(yù)防齲齒、降低膽固醇、提高營養(yǎng)價(jià)值等[2-8]。

在冰晶尺寸大小的研究上，Donhowe等[9]通過將光學(xué)顯微鏡放入冷凍室中測量冰晶尺寸；Ueno等[10]通過微切片圖像處理系統(tǒng)分析冷凍稀溶液的冰晶體三維形態(tài)和分布；Kopstad G等[11]通過數(shù)學(xué)關(guān)系分析，比較了理論上冰晶分布大小與實(shí)際冰晶分布大小的不同；Arellano M等[12]通過集電波反射測量技術(shù)在線測量冰凍果子露凍結(jié)期間的冰晶大??；Liou K N等[13]分析了冰水含量與冰晶大小的回歸關(guān)系；但關(guān)于糖及糖醇對冰晶的尺寸大小影響的研究鮮有報(bào)道。故本文通過冷凍顯微鏡模擬凍結(jié)環(huán)境，觀察及分析糖及糖醇在冷凍條件下的冰晶的組織結(jié)構(gòu)。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

1.1.1 材料

麥芽糖醇晶體、麥芽糖醇、L-阿拉伯糖、木糖醇、低聚果糖、聚葡萄糖、山梨糖醇（食品級）：山東福田科技集團(tuán)；飴糖（食品級）：山東魯州生物科技有限公司；果葡糖漿（食品級）：嘉吉食品有限公司；葡萄糖（食品級）：呼倫貝爾東北阜豐生物科技有限公司；蔗糖（二級）：湛江市金豐糖業(yè)有限公司。

1.1.2 儀器

BSA2201電子天平：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；攪拌器：德國IKA廣州儀科實(shí)驗(yàn)室技術(shù)有限公司；SB-5200DT超聲波清洗機(jī)：寧波新芝生物科技股份有限公司；BX51冷凍顯微鏡：Olympus公司；BCS196冷臺：Linkam公司；HWS24型電熱恒溫水浴鍋：上海恒學(xué)儀器有限公司；BCD-211U電冰箱：海信（北京）電器。

1.2 方法

1.2.1 載玻片的預(yù)處理

結(jié)合邢高娃[14]的試驗(yàn)方法，對載玻片進(jìn)行預(yù)處理。載玻片放入盛有蒸餾水的燒杯中，將其置于超聲波清洗機(jī)中，時(shí)間設(shè)定為5 min，水溫設(shè)置為30℃，清洗之后用電吹風(fēng)機(jī)吹干，將其放入小瓶中，備用。

1.2.2 配制糖溶液

本試驗(yàn)均研究質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%的糖溶液。準(zhǔn)確稱量39 g的糖（分別有蔗糖、葡萄糖、低聚果糖、L-阿拉伯糖、果葡糖漿、聚葡萄糖、麥芽糖醇晶體、麥芽糖醇液體、木糖醇、山梨醇、飴糖），加入蒸餾水300 mL，進(jìn)行攪拌，置于電熱恒溫水浴鍋中，加熱至85℃，水浴10 min，結(jié)束后定容，靜置至室溫，敷上保鮮膜，置于4℃的電冰箱冷藏室中，冷藏12小時(shí)后，備用。

1.2.3 糖溶液的冰晶體測定

結(jié)合 Santachiara G[15]、Okita T I[16]、A.A.FLORES等[17]和Srinivasan D[1]的試驗(yàn)方法。選用冷凍顯微鏡，其通過電腦相連接，以電子屏幕的形式觀察冰晶的變化情況。據(jù)Cook等[18]的靜態(tài)凍結(jié)方法，結(jié)合實(shí)際情況，對冰淇淋的生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行模擬。取2 μL左右的溶液，置于載玻片上，并蓋上蓋玻片。冷凍環(huán)境的初始溫度設(shè)為20℃，保證凍結(jié)環(huán)境的一致性；樣品以10℃/min的速度降至4℃，此時(shí)樣品的顯微系統(tǒng)開始記錄；接著以2℃/min的速度降至-25℃，觀察冰晶體形成的整體過程及記錄冰晶體形成的溫度；再以7℃/min升至-6℃，此時(shí)溫度環(huán)境的變化可以促進(jìn)冰晶體的生長，并使樣品經(jīng)歷急劇增長的再結(jié)晶；以6℃/min的速度降至-18℃，記錄下緩凍后的冰晶大小及狀態(tài)；最后以10℃/min的速度升至20℃，保證始末溫度環(huán)境一致。

2 結(jié)果與分析

冷凍顯微鏡通過對溫度進(jìn)行控制進(jìn)而模擬冰晶體形成的凍結(jié)環(huán)境，旨在使冰晶形成的環(huán)境與冰淇淋冰晶體形成的環(huán)境達(dá)到一致。在冰淇淋的實(shí)際加工生產(chǎn)中，冰晶的大與小、多與少直接影響到產(chǎn)品品質(zhì)。因此，對糖醇冰晶大小的研究是極為必要的。

2.1 糖醇形成的冰晶體分析

試驗(yàn)結(jié)果選取的圖案是糖醇溶液形成最穩(wěn)定冰晶時(shí)的狀態(tài)。在試驗(yàn)過程中，所選取的冰晶并不是其第一次瞬間形成的冰晶，第一次所形成的圖像是冰晶與冰晶累積的結(jié)果，無法對單個(gè)冰晶進(jìn)行整體分析。采用緩凍的方式，通過升溫再降溫，融化冰晶重疊面，使冰晶的整體形態(tài)具體化后再凍結(jié)，進(jìn)而呈現(xiàn)出所看到的冰晶。在冰晶體形成之后，對冰晶體進(jìn)行了分類，主要有：較大冰晶（見圖5和圖6）、中等冰晶（見圖7和圖8）和較小冰晶（見圖9和圖10）三類。

2.1.1 形成較大冰晶體的糖醇

在水凍結(jié)的過程中，有一部分水被凍結(jié)成冰晶體，有一部分沒有凍結(jié)成冰晶體，這部分自由水吸附到凍結(jié)好的冰晶體上就形成了大冰晶[19]見圖5和圖6。

如圖5所示，L-阿拉伯糖形成的冰晶體較大，分布均勻，冰晶體的規(guī)則程度較高，冰晶間隙明顯。如圖6所示，木糖醇形成的冰晶體較大，分布不均，且冰晶的規(guī)則程度不高，以大冰晶為主，同時(shí)，冰晶間的間隙很大，能夠清楚地觀察到冰晶的輪廓，透亮度較高。目前，有關(guān)于L-阿拉伯糖應(yīng)用于冷食制品的研究[20-22]，但是木糖醇應(yīng)用于冷食制品鮮有報(bào)道[23-24]，多用于飲料及口香糖等食品中。

2.1.2 形成中等冰晶體的糖醇

中等冰晶見圖7和圖8。

圖5 L-阿拉伯糖形成的冰晶體（1 000倍）Fig.5 Ice crystals formed by L-Arabinose（1 000x）

圖6 木糖醇形成的冰晶體（1 000倍）Fig.6 Xylitol formed ice crystals（1 000x）

圖7 低聚果糖形成的冰晶體（1 000倍）Fig.7 Ice crystals formed by fructooligosaccharides（1 000x）

圖8 山梨醇形成的冰晶體（1 000倍）Fig.8 Sorbitol-formed ice crystals（1 000x）

如圖7所示，低聚果糖形成的冰晶體分布不均勻，較為密集，排列雜亂，細(xì)小冰晶體較多。冰晶以大冰晶為主，冰晶不夠透亮。低聚果糖，一種功能性甜味劑，針對不同人群具有不同的生理效果。因此，使用廣泛。低聚果糖的分子結(jié)構(gòu)是由蔗糖和果糖基通過果糖基間的特殊化學(xué)鍵連接起來的[25]。低聚果糖中含有氫鍵，但氫鍵較少，且其強(qiáng)度較低，形成的冰晶體較大。

如圖8所示，山梨醇形成的冰晶體以小冰晶體居多，但冰晶體的規(guī)則程度較為一致，間隙較為明顯，能夠很清楚地看清冰晶體的輪廓。山梨醇，是一種六元醇，它含有六個(gè)羥基，具有親水性的羥基會緊合自由水，緊合能力較強(qiáng)。隨著溫度的不斷降低，山梨醇溶液逐漸形成如圖所示的冰晶，這樣的冰晶大小可用于類似于冰棍之類的冷凍飲品中[26]。

低聚果糖和山梨醇所呈現(xiàn)出的冰晶適中，可使用于冷凍飲品中，并能保證其良好的品質(zhì)。將低聚果糖使用其中，還能提高制品的營養(yǎng)價(jià)值[27]，達(dá)到兩全其美的效果。山梨醇有較強(qiáng)的清涼感且易吸收，將其使用于冷凍飲品中，能使其口感、風(fēng)味達(dá)到事半功倍的效果[28]。同時(shí)，其代替蔗糖還具有減肥的功效。

2.1.3 形成較小冰晶體的糖醇

較小冰晶見圖9和圖10。

圖9 聚葡萄糖冰晶圖（1 000倍）Fig.9 Polydose ice crystals（1 000x）

圖10 麥芽糖醇晶體冰晶圖（1 000倍）Fig.10 Crystallogram of maltitol crystals（1 000x）

如圖9所示，聚葡萄糖所形成的冰晶體最小、分布較為集中，以小冰晶體居多，冰晶間的間隙較為明顯。聚葡萄糖具有高度分支的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其是由小分子隨機(jī)聚合而成的，由于具有不同的聚合度，分子量也相應(yīng)不同，分子量以162 Da～5 000 Da居多[29]。

如圖10所示，晶體麥芽糖醇形成的冰晶體分布較為均勻，冰晶間隙清晰可見，小冰晶居多，也有大冰晶的存在。此糖醇形成的冰晶小而密集，適合用于冰淇淋的生產(chǎn)中。麥芽糖醇，分子量為344.31 Da，其有著其獨(dú)特的生理特性，如預(yù)防齲齒、對鈣吸收有著一定的促進(jìn)作用、不會產(chǎn)生肥胖[30]等。由于麥芽糖醇的甜度較接近于蔗糖，所以其可作為功能性甜味劑獨(dú)立使用于冰淇淋的加工中，從而替代蔗糖[31-32]。

2.2 冰晶數(shù)據(jù)處理

純水的冰點(diǎn)為0℃，冷凍后會隨機(jī)形成六角形狀。純水在冷凍和凍結(jié)的速度較為緩慢的情況下，液態(tài)水可能進(jìn)一步過冷。與此同時(shí)，過冷水中會含有許多強(qiáng)四聚體氫鍵水分子[33]。隨著溫度的降低，冰晶結(jié)構(gòu)會不斷擴(kuò)大，甚至有可能在瞬間形成大的冰面。但這樣的結(jié)構(gòu)不會輕易形成六面體冰晶體[34]。

由于冷凍飲品凍結(jié)溫度一般在-20℃左右，試驗(yàn)選取和分析的是-18℃時(shí)形成的冰晶體。使用的儀器是帶有照相功能的冷凍顯微鏡。通過照片的呈現(xiàn)，可以很細(xì)致地觀察冰晶變化的整體過程。在溫度波動(dòng)的過程中，通過改變糖醇溶液凍結(jié)速度來擴(kuò)大冰晶蔓延面[35]。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，冰晶體對冰淇淋的質(zhì)量影響極大，直接決定著冰淇淋的品質(zhì)。比如軟冰淇淋，希望冰晶體越小越好。

ipwin32軟件對冰晶圖片進(jìn)行進(jìn)一步篩選和處理，可得到糖醇的冰晶尺寸數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。

表1 各種糖醇形成的冰晶體參數(shù)Table 1 Ice crystals formed from various sugar alcohols

冰晶體的面積和平均直徑可以很直觀地反映出冰晶體的大小，縱橫比可以反映出冰晶體的尺寸規(guī)則程度。形成冰晶越小的糖醇應(yīng)用于冰淇淋中，其質(zhì)地會更細(xì)膩、口感更光滑。在對這11種糖醇所形成的冰晶體測定之后，根據(jù)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本都會落在一條曲線上。在冰晶大小方面，從冰晶表面到冰晶中心是有一個(gè)梯度的[36]。從表1中可以看出，晶體麥芽糖醇、聚葡萄糖形成的冰晶體是最小的。

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)聚葡萄糖和晶體麥芽糖醇所形成的冰晶體尺寸是最小的。由于聚葡萄糖的甜度極低，其可以與其他甜味劑復(fù)配應(yīng)用于冷凍飲品中[37]。對糖及糖醇所形成的冰晶體大小的研究，旨在為冷凍飲品選取甜味料種類提供參考與依據(jù)，進(jìn)而選擇與之相對應(yīng)的糖或糖醇。具有特殊生理功能的冷凍飲品不僅可以滿足大眾對甜食的需求，而且對身體也不會產(chǎn)生副作用[38]。如今，有的冰淇淋配料已經(jīng)用麥芽糖醇替代了蔗糖，可見大眾已經(jīng)意識到功能性甜味劑的重要性。這些安全的功能性甜味劑可以作為一種至關(guān)重要的食品配料用于生產(chǎn)低熱量、高營養(yǎng)的功能性產(chǎn)品，以供兒童、糖尿病病人等特殊人群使用[39]。